Saules krāsa: 8 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:56

Īpaša krāsa, kas rada tiešu elektrību no saules gaismas.

Organiskie fotoelementi (OPV) piedāvā milzīgu potenciālu kā lēti pārklājumi, kas spēj ražot elektroenerģiju tieši no saules gaismas. Šos polimēru maisījuma materiālus var drukāt lielā ātrumā lielās platībās, izmantojot apstrādes metodes no ruļļa līdz rullim, radot vilinošu redzējumu par katra jumta un citas piemērotas ēkas virsmas pārklāšanu ar lētu fotoelementu.

1. solis: NP sintēze, izmantojot miniemulsijas procesu

Nanodaļiņu izgatavošanas metode izmanto ultraskaņas enerģiju, kas tiek piegādāta, izmantojot reakcijas maisījumā ievietotu ultraskaņas ragu, lai radītu miniemulsiju (attēls iepriekš). Ultraskaņas rags padara iespējamu submikrometru pilienu veidošanos, pielietojot lielu bīdes spēku. Šķidru ūdens virsmaktīvo vielu saturošu fāzi (polāro) apvieno ar polimēra organisko fāzi, kas izšķīdināta hloroformā (nepolārā), lai radītu makroemulsiju, pēc tam ultraskaņu, veidojot miniemulsiju. Polimēra hloroforma pilieni veido izkliedētu fāzi ar nepārtrauktu ūdens fāzi. Šī ir parastās metodes modifikācija polimēru nanodaļiņu ģenerēšanai, kur izkliedētā fāze bija šķidrs monomērs.

Tūlīt pēc miniemulsifikācijas šķīdinātājs tiek iztvaicēts no izkliedētajiem pilieniem, atstājot polimēra nanodaļiņas. Galīgo nanodaļiņu izmēru var mainīt, mainot virsmaktīvās vielas sākotnējo koncentrāciju ūdens fāzē.

2. solis: NP sintēze, izmantojot nokrišņu metodes

Kā alternatīva miniemulsijas pieejai izgulsnēšanas metodes piedāvā vienkāršu ceļu pusvadītāju polimēru nanodaļiņu ražošanai, injicējot aktīvā materiāla šķīdumu otrā slikti šķīstošā šķīdinātājā.

Tādējādi sintēze ir ātra, neizmanto virsmaktīvo vielu, tai nav nepieciešama apkure (un līdz ar to arī nanodaļiņu saliekamā atkausēšana) nanodaļiņu sintēzes fāzē, un to var viegli palielināt, lai iegūtu liela mēroga materiāla sintēzi. Kopumā ir pierādīts, ka dispersijām ir zemāka stabilitāte un tām piemīt kompozīcijas izmaiņas stāvot, jo ir vēlams dažādu sastāva daļiņu nokrišņi. Tomēr nokrišņu pieeja piedāvā iespēju iekļaut nanodaļiņu sintēzi kā daļu no aktīva drukāšanas procesa, daļiņas ģenerējot pēc vajadzības. Turklāt Hirsch et al. ir parādījuši, ka, secīgi pārvietojot šķīdinātāju, ir iespējams sintezēt apgrieztas serdes-čaumalas daļiņas, ja strukturālais izvietojums ir pretrunā materiālu raksturīgajām virsmas enerģijām.

3. darbība: PFB: F8BT organisko fotoelementu nanodaļiņu (NPOPV) materiālu sistēma

PFB jaudas pārveidošanas efektivitātes agrīnie mērījumi: F8BT nanodaļiņu ierīces saules apgaismojumā ziņoja par ierīcēm ar Jsc = 1 × 10–5 A cm^-2 un Voc = 1,38 V, kas (pieņemot vislabāko novērtējumu par neuzklātu uzpildes koeficientu (FF) no 0,28 no beztaras maisīšanas ierīcēm) atbilst PCE 0,004%.

Vienīgie citi PFB: F8BT nanodaļiņu ierīču fotoelektriskie mērījumi bija ārējās kvantu efektivitātes (EQE) diagrammas. Daudzslāņu fotoelementu ierīces, kas izgatavotas no PFB: F8BT nanodaļiņām, kas parādīja vislielāko jaudas pārveidošanas efektivitāti, kas novērota šiem polifluorēna nanodaļiņu materiāliem.

Šī paaugstinātā veiktspēja tika sasniegta, kontrolējot atsevišķu polimēra nanodaļiņu sastāvdaļu virsmas enerģiju un apstrādājot polimēru nanodaļiņu slāņus pēc nogulsnēšanās. Zīmīgi, ka šis darbs parādīja, ka izgatavotās nanodaļiņu organiskās fotoelektriskās (NPOPV) ierīces bija efektīvākas nekā standarta maisīšanas ierīces (attēls vēlāk).

4. solis: attēls

Nanodaļiņu un lielapjoma heterojunkcijas ierīču elektrisko īpašību salīdzinājums. a) Strāvas blīvuma un sprieguma izmaiņas piecu slāņu PFB: F8BT (poli (9, 9-dioktilfluorēn-co-N, N'-bis (4-butilfenil) -N, N'-difenil-1, 4-fenilēndiamīns) (PFB); poli (9, 9-dioktilfluorēn-ko-benzotiadiazols (F8BT)) nanodaļiņu (aizpildīti apļi) un lielapjoma heterojunkcijas (atvērtu apļu) ierīce; b) ārējās kvantu efektivitātes (EQE) izmaiņas viļņa garums piecu slāņu PFB: F8BT nanodaļiņu (aizpildīti apļi) un lielapjoma heterojunkcijas (atklāti apļi) ierīce. Parādīts arī (punktētā līnija) ir nanodaļiņu plēves ierīces EQE diagramma.

Ca un Al katodu (divi no visbiežāk sastopamajiem elektrodu materiāliem) ietekme uz OPV ierīcēm, kuru pamatā ir polifluorēna maisījuma ūdens polimēru nanodaļiņu (NP) dispersijas. Viņi parādīja, ka PFB: F8BT NPOPV ierīcēm ar Al un Ca/Al katodiem ir kvalitatīvi ļoti līdzīga uzvedība, ar maksimālo PCE ~ 0, 4% Al un ~ 0, 8% Ca/Al, un ka ir noteikts optimizēts biezums NP ierīces (nākamais attēls). Optimālais biezums ir sekas konkurējošām fiziskajām sekām, ko rada plānu plēvju defektu labošana un aizpildīšana [32, 33], un sprieguma plaisāšanas attīstība biezās plēvēs.

Optimālais slāņa biezums šajās ierīcēs atbilst kritiskajam plaisāšanas biezumam (CCT), virs kura notiek sprieguma plaisāšana, kā rezultātā samazinās šunta pretestība un samazinās ierīces veiktspēja.

5. solis: attēls

Jaudas pārveidošanas efektivitātes (PCE) variācija ar PFB deponēto slāņu skaitu: F8BT nanodaļiņu organiskās fotoelektriskās (NPOPV) ierīces, kas izgatavotas ar Al katodu (aizpildīti apļi) un Ca/Al katodu (atvērti apļi). Acu vadīšanai ir pievienotas punktētas un punktētas līnijas. Vidējā kļūda ir noteikta, pamatojoties uz dispersiju vismaz desmit ierīcēm katram slāņu skaitam.

Tātad, F8BT ierīces uzlabo eksitona disociāciju attiecībā pret atbilstošo BHJ struktūru. Turklāt, izmantojot Ca/Al katodu, tiek izveidoti interfeisa spraugu stāvokļi (attēls vēlāk), kas samazina PFB radīto lādiņu rekombināciju šajās ierīcēs un atjauno atvērtās ķēdes spriegumu līdz līmenim, kas iegūts optimizētai BHJ ierīcei, kā rezultātā PCE tuvojas 1%.

6. solis: attēls

Enerģijas līmeņa diagrammas PFB: F8BT nanodaļiņām kalcija klātbūtnē. a) kalcijs izkliedējas caur nanodaļiņu virsmu; (b) Kalcijs leģē ar PFB bagātu apvalku, radot plaisas stāvokļus. Elektronu pārnešana notiek no kalciju ražojošiem aizpildītiem spraugu stāvokļiem; c) uz PFB radīts eksitons tuvojas leģētajam PFB materiālam (PFB*), un caurums pāriet uz aizpildītās spraugas stāvokli, radot enerģētiskāku elektronu; d) tiek kavēta elektronu pārnešana no eksitona, kas ģenerēts uz F8BT, vai nu uz augstākas enerģijas PFB zemāko neaizņemto molekulāro orbitāli (LUMO), vai piepildīto zemākās enerģijas PFB* LUMO.

NP-OPV ierīces, kas izgatavotas no ūdenī izkliedētas P3HT: PCBM nanodaļiņas, kurām bija 1,30% jaudas pārveidošanas efektivitāte (PCE) un maksimālā ārējā kvantu efektivitāte (EQE) 35%. Tomēr atšķirībā no PFB: F8BT NPOPV sistēmas P3HT: PCBM NPOPV ierīces bija mazāk efektīvas nekā to lielapjoma heterojunkcijas kolēģi. Skenēšanas transmisijas rentgenstaru mikroskopija (STXM) atklāja, ka aktīvais slānis saglabā ļoti strukturētu NP morfoloģiju un ietver serdes apvalka NP, kas sastāv no salīdzinoši tīra PCBM kodola un sajaukta P3HT: PCBM apvalka (nākamais attēls). Tomēr pēc atlaidināšanas šīm NPOPV ierīcēm tiek veikta plaša fāžu segregācija un attiecīgi samazinās ierīces veiktspēja. Patiešām, šis darbs sniedza paskaidrojumu par atkausētu P3HT: PCBM OPV ierīču zemāko efektivitāti, jo NP plēves termiskās apstrādes rezultātā tiek iegūta efektīvi “pārkarsēta” struktūra ar bruto fāžu segregāciju, tādējādi pārtraucot lādiņu veidošanos un transportēšanu.

7. darbība. NPOPV darbības kopsavilkums

Kopsavilkums par NPOPV ierīču veiktspēju, par kurām ziņots dažu pēdējo gadu laikā, ir parādīts

Tabula. No tabulas ir skaidrs, ka NPOPV ierīču veiktspēja ir dramatiski palielinājusies, palielinoties par trim kārtām.

8. solis: Secinājumi un nākotnes perspektīvas

Nesenā ūdens bāzes NPOPV pārklājumu attīstība ir paradigmas maiņa lētu OPV ierīču izstrādē. Šī pieeja vienlaikus nodrošina morfoloģijas kontroli un novērš vajadzību pēc gaistošiem uzliesmojošiem šķīdinātājiem ierīču ražošanā; divi galvenie pašreizējā OPV ierīču izpētes izaicinājumi. Patiešām, ūdens bāzes saules krāsas izstrāde piedāvā vilinošas izredzes drukāt lielas platības OPV ierīces, izmantojot jebkuru esošo drukas iekārtu. Turklāt arvien vairāk tiek atzīts, ka uz ūdens bāzes izdrukājamas OPV sistēmas izstrāde būtu ļoti izdevīga un ka pašreizējās materiālu sistēmas, kuru pamatā ir hlorēti šķīdinātāji, nav piemērotas komerciālai ražošanai. Šajā pārskatā aprakstītais darbs rāda, ka jaunā NPOPV metodoloģija ir vispārēji piemērojama un ka NPOPV ierīču PCE var būt konkurētspējīgas ar ierīcēm, kas izgatavotas no organiskiem šķīdinātājiem. Tomēr šie pētījumi arī atklāj, ka no materiālu viedokļa NP darbojas pilnīgi atšķirīgi no polimēru maisījumiem, kas savērpti no organiskiem šķīdinātājiem. Faktiski NP ir pilnīgi jauna materiālu sistēma, un tādējādi vecie OPV ierīču izgatavošanas noteikumi, kas ir apgūti organisko OPV ierīču gadījumā, vairs nav spēkā. NPOPV gadījumā, kuru pamatā ir polifluorēna maisījumi, NP morfoloģijas rezultātā ierīces efektivitāte dubultojas. Tomēr polimēru: fullerēna maisījumiem (piemēram, P3HT: PCBM un P3HT: ICBA) morfoloģijas veidošanās NP plēvēs ir ļoti sarežģīta, un var dominēt citi faktori (piemēram, serdes difūzija), kā rezultātā var rasties neoptimizētas ierīces struktūras un efektivitāte. Šo materiālu nākotnes perspektīvas ir ārkārtīgi daudzsološas, jo mazāk nekā piecu gadu laikā ierīču efektivitāte ir palielinājusies no 0,004% līdz 4%. Nākamais attīstības posms ietvers izpratni par mehānismiem, kas nosaka NP struktūru un NP plēves morfoloģiju, un to, kā tos var kontrolēt un optimizēt. Līdz šim spēja kontrolēt OPV aktīvo slāņu morfoloģiju nanomērogā vēl nav realizēta. Tomēr nesenais darbs parāda, ka NP materiālu pielietošana var ļaut sasniegt šo mērķi.